“水力学”课程工程化教学方法研究——基于虚拟仿真方式

杨 兰，戚晓明，潘争伟，武心嘉，汪艳芳

（蚌埠学院 机械与车辆工程学院，安徽 蚌埠233030）

“水力学”是水利水电工程专业重要的专业基础课程，也是本专业研究生入学考试的主要专业科目之一，对基础课程和专业课程的学习具有承上启下的作用［1］。水力学基本理论在工农业生产的很多部门应用广泛，如水利水电工程、石油化工、建筑、交通运输等领域往往都会有和液体运动相关的技术问题，这些问题的解决都要具备水力学的理论知识［2］。实际上，与流体、气体流动相关的专业都是以水力学为理论基础。该课程的学习为学生以后从事水力发电、给水排水、道路桥涵、农田排灌、防洪除涝、河道整治及港口工程等方面的工程研究打下基础。随着社会经济的发展，蓬勃发展的经济建设提出了越来越复杂的水力学问题，如高浓度泥沙河流的治理、高水头水力发电的开发、输油干管的敷设、采油平台的建造、河流湖泊海港污染的防治等。“水力学”课程随水力学技术的快速发展而不断更新，涉及的知识多、范围广，具有很强的理论性和实用性。课程的学习，不仅要求学生掌握水力学相关的基本理论和应用技能，更重要的是培养他们的独立思考问题和解决实际问题的能力。

一、工程理念引领

随着新工业革命的快速发展，不断涌现出新的技术和产业、国家重大战略的实施、旧产业的转型和发展等方面都迫切要求新工科的大力建设。目前，我国正在实施创新驱动发展、“中国制造2025”、“互联网+”等一系列重大战略，因此迫切需要培养新兴工程科技人才，以推动科技、教育、生产制造等方面的发展［3］。新兴工程科技人才的培养需要大力提升学生在工程实践应用方面的创新能力，这就要在制定高校的专业培养方案时以创新型工程教育思想、工程化的理念为指导，渗透到教师的备课、上课和课后辅导中去［4］，将工程化的思想贯穿到每一位学生的学习中，促使其参加具体的工程实践活动。

二、课程教学的现状

蚌埠学院水利水工程专业采用四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室编写的第五版《水力学（上）》，共72学时，其中60学时的理论教学，12学时的实验教学。教材包含了水静力学、液体运动的流束理论、流动阻力及水头损失、有压管道流动、明渠流动、堰流及闸孔出流、水利衔接与消能、渗流等11章的内容，教学体系完整。“水力学”学习过程中，理论公式较多，且推导过程复杂［5］，涉及到高等数学、理论力学中的一些计算和理论原理，将理论应用于实际工程时又引出大量的经验公式和经验常数，学生在学习应用过程中感到迷茫。水力学研究以水为代表的液体和不可压缩的气体，由静态到动态，由作用力到能量，使水力学具有与其他力学不同的特殊性，课程的这些特点决定了教与学具有较大的难度。

在传统的课程教学中，关于水力学在实际工程中的应用一般以单纯的理论讲解为主，过程抽象、乏味，导致学生学习兴趣不高［6］。理论课程采用多媒体PPT授课，外加部分动画演示，增加学生对一些水流特征的理解，但是讲授仍偏于理论，与工程实践脱离，教学效果不理想。按教学大纲要求，传统实验教学只是对基本的6个实验项目采用实验台的形式进行，缺乏创新，不利于学生对基本理论的掌握和应用。同时，实验项目固定，实验室又不能完全开放，学生除简单的验证性实验外，很难有机会进行实践。学生的实践能力提高有限，主观能动性、创造性没有得到很好的发挥，不足以满足“工程化”教学的要求。

在综合研究背景和现状的基础上，将软件仿真技术引入水力学的理论和实验教学过程中，通过“项目式、工程化”的教学方法与课程教学结合在一起，构建基于“仿真任务→掌握理论背景→理论教学→仿真验证及优化→知识拓展”的实验教学模式。充分发挥现有的实验条件，更新教学内容，多样化教学手段，加强学生对知识点的掌握，培养学生分析问题和解决问题的能力，以期为人才培养模式的深层次探索提供一定的研究基础。

三、基于虚拟仿真的工程化教学改革

在”水力学”教学和实验的过程中，通过计算流体力学软件三维仿真和“工程化”思想从根本上激发学生的学习主动性，培养学生的工程实践能力。

（一）基于仿真软件可视化技术的课程教学模式

”水力学“教材中，许多基本概念如流场、流线等常采用一定的数学公式或抽象语言来描述，这对学生理解一些流动问题是非常抽象的。同时，水力学教学借助多媒体课件，以理论教学为主，课堂枯燥［7］。基于仿真软件的可视化技术，在教学过程中边讲边演示，让学生能充分理解各种流动现象。教学过程可引入仿真实例，将原来抽象的流场用形象的云图、矢量图和等值面等直观地显示出来，甚至可以将流动过程通过视频动态演示出来。例如讲解圆柱绕流这一经典水力学问题时，通过Fluent软件，动态的演示不同雷诺数时圆柱周围的流动情况，Re=200时某一时刻圆柱绕流局部流场压力等值线分布和涡量分布分别如图1、图2所示，帮助学生理解理论知识的同时加深学生的记忆，激发学生学习兴趣。

图1 圆柱绕流压力等值线分布

图2 圆柱绕流涡量分布

（二）基于软件仿真的实验教学模式

“水力学”课程中有较多的概念，理论知识比较抽象，一些流动形式和流态特征单纯靠语言描述不够清楚，而采用实验的方式将抽象理论概念和复杂流动演示出来，可以让学生更加深刻的理解。水力学核心实验包括静水压强、雷诺实验、能量方程、局部水头损失、沿程水头损失、孔口管嘴出流、流谱流线、水击等，均为演示性和验证性实验。学校配套有专门的水力学实验室，实验模式固定，在演示性实验中，学生听教师讲解为主，观察其中的现象；验证性试验是在课堂理论教学中已经得到相关实验结果或规律，通过实验加以验证，对学生在学习过程中的一些想法无从验证，缺乏创新。

除了对基本知识点进行仿真教学外，利用Gam-bit、Fluent、Flow-3d、tecplot等软件对经典的流体力学问题、教学重难点内容完成相关实验任务，见表1。实验任务与工程实际应用结合，学生可根据自己的兴趣点选择喜欢的题目，要求学生通过对相关理论背景、理论知识学习后建模，并对模型进行仿真验证，形成基于“仿真任务→掌握理论背景→理论教学→仿真验证及优化→知识拓展”的实验教学模式，提高学生的工程素养。

表1 仿真性项目

（三）基于软件仿真的“项目式、工程化”教学模式

“水力学”课程主要研究以水为代表的液体的平衡规律和运动规律，并将基本规律应用于实际工程中，研究对象具有复杂性。学生在课程学习之前掌握的专业知识较少，工程认知缺乏，只是听得多、见得少。解决常见的水利工程实际问题都具有很强的实践性。学生在设计计算时，甚至不知道相应水工建筑物的名称和用途，如渡槽、虹吸管等各种明渠输水管道的水力计算问题，大坝等挡水建筑物、导流洞、溢流坝等泄水建筑物的设计和计算［8］。大部分学生以机械学习为主，体会不到所学习的理论知识是用在哪些实际工程问题中。长期以往，学生会因为缺乏工程认识而对学习感到迷茫，学习的积极主动性会有所降低。因此，在教学过程中应该注意培养学生的工程意识，将理论知识和工程实际联系起来，提高学生的设计能力和解决问题的能力。

随着社会经济的不断发展，对技能型人才的要求越来越高，且需求量也增大。为了使学生在毕业之后更快的适应专业工作，在课程教学过程中，可以结合水力学在各个部门领域如水利水电工程、建筑工程、交通运输、石油化工等的工程应用实例加以介绍和分析，使学生对水力学理论有更直观的认识。“项目式、工程化”教学模式就是将与教学内容密切相关，可直接用于教学的科研项目、工程案例纳入教学实践环节，通过教师的引导、讲解，学生自行查阅资料、讨论、CFD软件仿真、分析结果解决问题，在此过程中培养学生分析问题、解决问题的能力，提升科研技能和科研素养。一般情况下，专业教师均有各自的水利工程项目，很多是可以作为教学案例的，从中选择合适教学的项目、片段供学生课后去模拟实践。工程案例可以是从网络、设计院或水利事业单位收集的实际工程设计报告、水力计算书等供学生计算实践。学生在课外自主学习，通过自己发掘问题、解决问题，提高学习的积极主动性，找到其中的乐趣，培养出更高水平的实用性人才［9］。将理论知识应用于实际工程中，对理论知识获取新的认知和体会，同时也增强了学生的自信心。

（四）基于网络教学平台的全方位课程评价体系

通过考评可以有效检验教师的教学方法和学生的学习效果。蚌埠学院现行的课程考评制度是以学期期末考试成绩为主（占总成绩的70%），平时成绩包括考勤、作业、课堂表现和实验成绩等占总成绩的30%。这种情况使部分平时出勤较低或上课表现不佳的同学，只在期末考试前突击复习，凭着卷面分数而减小和平时表现积极同学的差距，这对平时表现较好的学生的积极性会有一定的影响。

为了更加客观、真实的体现考评结果，课程评价应该是针对学生学习的全过程，包括学习前的预习、基础知识的了解情况，学习过程中的具体表现和学习后在知识、能力、态度方面的改变［10］。“学习通”是基于移动教学理念的移动终端 （智能手机）结合互联网及网络教学平台，为实施互动式课堂教学等新兴教学理念和教学形式而开发的移动应用。通过“学习通”网络学习平台，课前教师在电脑或手机上通过学习通APP创建课程和班级，上传相关资料，发布预习要求，查看学生完成、访问情况；课堂中，通过手机学习APP发布签到、选人、抢答、投票等活动，调动学生的积极性；章节学习结束之后发布作业、章节测试、讨论等活动，考察学生的综合成绩。同时，对于实验成绩应该有一定的重视，提高所占比重。采用线上考核与线下考核相结合的方式，使教学行为更加完整，更有利于培养学生创新精神，更加注重学习能力的培养。

四、结语

根据蚌埠学院“工程化、应用型”的办学定位，结合“水力学”课程的具体特点对课程的教学方法进行研究，提出了以“项目式、工程化”教学理念为指导，基于虚拟仿真的理论教学、实验教学方法。将流体力学软件仿真可视化技术引入课堂的理论教学，将具体的工程案例融入教学环节，构建基于“仿真任务→掌握理论背景→理论教学→仿真验证及优化→知识拓展”的实验教学模式，并结合“学习通”网络教学平台构建全方位课程评价体系。实践表明，这种教学模式从根本上激发了学生学习的积极主动性，对学生的工程素质、实践能力有了很大的提升。